07MnNiMoVDR鋼制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的難點與應對措施

王傳標，王安軍

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088)

07MnNiMoVDR鋼制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的難點與應對措施

王傳標，王安軍

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088)

采用高強鋼07MnNiMoVDR用于建造2 000 m3丙烯低溫球罐。由于高強鋼07MnNiMoVDR在冬季焊接施工比較復雜，必須采取有效的防護措施。為確保焊接質量，針對國產高強鋼07MnNiMoVDR焊接特性以及冬季焊接施工的難點，采取了焊前預熱、焊接線能量控制、層間溫度控制、焊后消氫熱處理和焊接關鍵點等措施，有效保證了球罐的冬季焊接施工質量，成功建造出2000m3丙烯低溫球罐。為以后該鋼種冬季焊接施工積累了經驗。

07MnNiMoVDR；丙烯球罐；冬季焊接施工

0 前言

天津石化100萬噸／年乙烯及配套項目是國家重點建設工程，其中有六臺丙烯球罐，主要參數為：赤道帶切向柱式支承，十支柱三帶混合式結構，單臺球罐共34塊球殼板。其公稱體積2 000 m3，內徑15 700 mm，設計壓力2.16 MPa，設計溫度-45℃，殼體材質07MnNiMoVDR(B610CF-L2)，壁厚48 mm。工程工期為2008年3月10日至2009年2月28日，工期比較緊張，球罐的焊接施工過程將跨越整個冬季。天津大港地區冬季日平均氣溫低于5℃，最低氣溫低于0℃，施工現場靠近海邊，冬季濕度大，風速較大。同時這也是國產化07MnNiMoVDR高強鋼第一次大規模應用于2 000 m3丙烯球罐，高強鋼07MnNiMoVD對焊接溫度要求非常嚴格，加大了焊接施工的難度。在此通過分析07MnNiMoVDR鋼材的焊接性能和現場冬季焊接的難點，從預熱、焊接工藝參數、焊后消氫熱處理以及焊接關鍵點等環節采取必要的應對措施，并針對焊接裂紋產生的機理，提出了預防07MnNiMoVDR鋼裂紋產生的控制技術措施，保證了國產07MnNiMoVDR鋼制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的質量。

107 MnNiMoVDR鋼板焊接特性分析

07MnNiMoVDR鋼板的化學成分和力學性能見表1、表2。根據國際焊接學會碳當量(單位：%)計算公式[1]

以及冷裂紋敏感指數(單位：%)公式[1]

可得CE＝0.41%，Pcm＝0.26%。由07MnNiMoVDR鋼板的CE、Pcm，結合表1、表2可知，07MnNiMoVDR含碳量低，碳當量和冷裂紋敏感指數都不高，淬硬傾向小，產生冷裂紋的傾向小，且強度高，韌性好，焊接性優良。但主體焊接施工是在寒冷的冬季，冬季焊接時由于接頭冷卻速度較快，焊接接頭更容易硬化，從而導致冷裂傾向增大；加之該鋼種合金成分的組成有一定的再熱裂紋傾向。因此焊接施工的重點和難點是防止冷裂紋和再熱裂紋產生。

表107 MnNiMoVDR化學成分%

表207 MnNiMoVDR鋼板的力學性能

1.1 防止冷卻裂紋產生的應對措施

冷裂紋產生的主要因素有擴散氫含量、焊接拘束應力和冷卻速度。因此防止冷卻裂紋的產生主要是降低擴散氫含量、減小拘束應力和適當的冷卻速度。

(1)降低擴散氫含量主要措施為嚴格控制氫來源。選用與母材配套的低氫焊接材料，同時焊條還要能改善焊縫金屬塑性和韌性。結合07MnNiMoVDR的特性，選擇φ 4.0mm LB65焊條。對焊條按批進行熔敷金屬擴散氫含量復驗；同時嚴格執行焊條的烘干、領用、發放、回收制度。

(2)焊接拘束應力與板厚成正比[2]。采用48mm板厚07MnNiMoVDR鋼板，防止裂紋的措施非常必要。由于冬季環境溫度、溫差大，會加劇收縮變形，拘束應力會增大，冷裂趨勢必增大。焊前預熱則是降低焊接接頭應力的有效手段。

(3)冷卻速度不僅取決于焊接熱輸入和預熱溫度，還受到焊接層數和層間溫度的影響，因此確定合適的預熱溫度和有效的焊后熱處理等焊接工藝措施是降低焊接冷卻速度的關鍵所在。

因此，合理選擇焊接材料、預熱溫度、層間溫度以及有效的焊后熱處理是防止冬季焊接冷裂紋產生的有效措施。

1.2 從熱處理的溫度、檢測手段和焊接方法方面嚴格控制再熱裂紋

07MnCrMoVR鋼再熱裂紋敏感性試驗結果表明：該鋼存在一定程度的再熱裂紋(SRC)敏感性，其敏感溫度為650℃，若將SR處理溫度降至580℃，則其面縮率和臨界斷裂應力均大大提高，從而不會產生再熱裂紋。本工程熱處理溫度為575℃±15℃，保溫3 h，經焊接工藝評定后，滿足技術規范要求。

按照GB12337規定，球罐在熱處理后和耐壓試驗后可以不進行表面磁粉檢測(包括全部或局部)，因此造成再熱裂紋檢驗的失控，給長周期安全生產帶來隱患。本工程在熱處理和水壓試驗后焊道內外分別進行100%的表面磁粉檢測，沒有發現裂紋片。

針對σs≥490 MPa的高強鋼焊縫，由于缺口敏感性相應較高，產生細長型冷裂紋的趨勢也比較明顯，容易造成漏檢。因此壓力容器和壓力管道焊縫應盡量采用X射線進行透照檢測，確實因厚度、幾何尺寸所限或工作場地所限無法采用X射線源時，也可采用γ源進行射線透照。此時應盡可能采用高分辨率的膠片，但對于σb≥540 MPa的高強鋼焊縫，則必須采用高分辨率的膠片。本工程采用X射線源進行射線檢測，專門指派富有施工經驗的第三方進行射線檢測。

2 冬季焊接施工工藝實施難點以及控制措施

焊接是球罐組焊中的核心部分和特殊過程，尤其在冬季施工，焊接工藝措施的合理性是保障球罐焊接質量的關鍵。

2.1 焊前預熱控制和防風保護措施

球罐對接焊縫焊前預熱是在焊接側的背面采用火焰加熱。首先在預熱區一側安裝預熱器位置必須準確。焊前預熱溫度大于等于125℃，且控制在180℃以下。加熱寬度為每側距焊縫中心200 mm范圍內均勻預熱，預熱溫度的測量應在距坡口邊緣不超過50 mm處采用紅外線測溫儀對稱進行，每段焊縫測量點數不應少于四對。預熱布置如圖1所示。

圖1 焊前預熱

球罐在冬季焊接施工時必須采取防風措施，防風棚要結構合理，牢固耐用，具有較好的密封性和保溫性，同時保證加熱器供給持續、穩定的熱源，提高熱源的效率，如圖2所示。

圖2 防風保溫棚的搭設

2.2 層間溫度的控制

為保證層間溫度，每層焊道焊接必須緊湊，在每層焊道焊接前，采取用紅外線測溫儀，實時跟蹤檢查，測量不少于四對測溫點，測溫點控制在125℃～180℃，層間溫度低于規范要求時，用預熱器加熱，保證滿足焊接施工要求。

2.3 焊接關鍵點的質量控制

(1)對焊接順序的質量控制及焊工施焊要求。

科學合理安排好球罐焊接順序和焊工配置，有利于減少焊接變形和殘余應力。為了盡可能地減少殘余應力，先焊接縱向焊縫，后焊接環向焊縫。所有焊縫外部全部焊完后，內側碳弧氣刨清根、打磨，清除滲碳層，經100%滲透檢測無缺陷后再進行內側小坡口焊接；極板的縱縫從中間向兩側焊。具體焊接順序如下：赤道帶縱縫→上、下極帶邊板縱縫→上極帶中心板縱縫→上、下極帶環縫→赤道帶上、下環縫→下極帶中心板周邊焊縫。

同時要求焊工對稱、同時、同步、分段退步進行焊接，最大限度的降低焊接變形殘余應力。

(2)對焊縫的要求及質量控制。

施焊時，所有焊縫第一層焊道均采取分段退焊法。縱縫分段退焊每段應為300 mm，環焊縫退焊長度應為800 mm。采用薄層多道焊，每一層焊縫厚度不得超過3.5 mm，焊縫擺動幅度不超過焊條直徑的4倍，建議從第四層開始分道。為防止蓋面焊道出現裂紋以及產生淬硬組織，則需要在蓋面焊道上加焊一道回火焊道。

(3)對焊接線能量的質量控制。

為使07MnNiMoVDR焊接接頭具有良好的低溫韌性，要求焊縫晶粒細小，組織致密，盡量使鋼材原有的熱處理效果不會受到較大損傷，因此必須嚴格控制線能量。根據工藝評定，結合現場實際焊接條件，平焊、立焊和仰焊要求焊接線能量在12～35 kJ／cm，橫焊要求焊接線能量在12～30 kJ／cm。

2.4 焊后消氫熱處理的控制

針對冷裂紋具有潛伏期的特點，球殼板對接焊縫焊后應立即進行后熱消氫處理，使得擴散氫充分溢出，防止冷裂紋，同時后熱還能韌化熱影響區和焊縫組織，后熱溫度200℃～250℃，后熱保溫時間1 h。由于在冬季施工，加大了后熱的難度，在采取防風棚的情況下，后熱溫度仍然很難保證，結合施工實際，現場采取雙面后熱，并加大測溫采點力度，每道焊縫不少于八對。

2.5 焊接產品試板的制作要求及測試結果

試板應由施焊球罐的焊工采用與施焊球殼時相同的條件和相同的焊接工藝焊接。每臺球罐按施焊位置(橫焊、立焊和平焊+仰焊)各做一塊產品焊接試板。試板焊后其焊縫經外觀檢查合格后，進行100%射線或超聲波檢測以及100%磁粉檢測，其合格指標應與球殼對接焊縫一致。產品焊接試板對稱地布置在球殼熱處理高溫區外側，并與球殼緊貼，與球罐一起進行焊后整體熱處理。熱處理時，應保證產品試板的溫度與球罐產品的溫度一致。產品試板測試結果如表3所示。

表3 焊接產品試板的力學性能

低溫沖擊按照GB／T229-1994《金屬夏比沖擊試驗方法》進行，實驗結果如表3所示。從表3可知，橫焊的焊縫和熱影響區-50℃下V型沖擊功均值分別為88 J、184 J，立焊的焊縫和側熱影響區處為76 J、156 J，平仰焊的焊縫和側熱影響區處為94 J、 174 J，均滿足技術條件要求。

3 結論

通過07MnNiMoVDR鋼裂紋產生的控制技術措施，以及嚴格按照根據現場冬季焊接的特點而制定的預熱、焊接工藝參數、焊后消氫熱處理等應對措施，保證了國產07MnNiMoVDR鋼制2 000 m3丙烯球罐冬季焊接施工的質量，產品試板機械性能滿足設計、技術規范要求，焊縫一次合格率達98%以上，為07MnNiMoVDR鋼制2 000 m3丙烯球罐冬季施工積累了經驗。產品已投入運行一年多，運行狀況良好，因此在球罐建造的過程中，只要精心制定施工應對方案，嚴格按照焊接工藝及規范，就能夠建造出優質的國產低溫球罐。

[1]王傳標.15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術[J].電焊機，2010，40(2)：81-83.

[2]張 宇.100 000 m3原油儲罐罐壁板高強鋼12MnNiVR的冬季焊接施工[J].焊接技術，2010，39(1)：85-89.

Difficulties and its counter measures on the welding of 07MnNiMoVDR steel of 2 000 m3propylene spherical tank in winter

WANG Chuan-biao，WANG An-jun
(Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China)

The 07MnNiMoVDR high-strength steel was applied the 2 000 m3propylene spherical tank.Welding of high-strength steel is relatively complicated in winter.So effective protection measures should be taken.Based on analyzing the welding performance of 07MnNiMoVDR Steel and difficulties，effective welding procedures and counter measures such as preheating，weld head input control，interpass temperature control，elimination of hydrogen heat treatmeat after wealding，key points of welding shall be taken.Propylene spherical tank was Successfully constructed in winter.It Proved the rationality of the project and accumulated some experience for the welding of the steel in the future.

07MnNiMoVDR；propylene spherical tank；welding procedures in winter

TG457.11

B

1001-2303(2011)12-0044-04

2011-07-08

王傳標(1981—)，男，安徽太和人，碩士，主要從事壓力容器的焊接、制造、安裝、監造等相關工作。